【聚焦】一文了解2019年欧盟石墨烯旗舰工作进展

2006年开始，欧盟开始进行石墨烯布局，其石墨烯研究起步早且系统性强，并将石墨烯研究提升至战略高度。2013年10月，石墨烯旗舰计划正式实施。目前，石墨烯旗舰计划包括21个欧盟成员国和伙伴国的近150个组织及单位，资金支持力度大，注重石墨烯理论研究，基础研究扎实。此外，石墨烯旗舰研究计划是欧盟选定的首批技术旗舰项目之一，总投资十年10亿欧元。

石墨烯旗舰计划由6大部门共同分担及实施石墨烯全链条科研及产业化工作，其中包含1个合作协调部门，1个管理服务部门以及4个科研应用部门。

四大科研部门：

1、 基础材料与理论研究部门（理论研究、自旋电子、材料制备）

2、 健康、医疗及传感器部门（传感器、生物医药、健康及环境）

3、 电子设备及光电子部门（规模化晶圆制备、柔性电子、光电子、电子设备）

4、 能源、复合材料及应用部门（材料应用、复合材料、功能泡沫及涂料、储能、能源）

同时，石墨烯旗舰计划六大部门下，再下设19个工作组。除去管理服务部门下设管理、宣传、创新、产业服务4项工作组外，其核心内容是提出理论研究、自旋电子、材料制备等3项基础工作组，及12项应用工作组，主要包括材料应用、复合材料、泡沫材料及涂料、储能、能源、规模化晶圆制备、柔性电子、光电子、电子设备、传感器、生物医药、健康及环境等课题。

在过去的2019年里，石墨烯旗舰计划走过了第六个年头，也取得了许多科学突破。尤其是在石墨烯视网膜植入、海水淡化、宽带光电探测器等领域取得了重大进展。而自2020年4月1日起，石墨烯旗舰计划将进入为期三年的第三阶段（Core 3）。自第三阶段开始，旗舰计划将调整方向，将工作重点瞄准应用。其中30%的预算资金，根据市场导向，优先分配给技术成熟度（technology readiness levels）高的尖端项目（Spearhead Projects），帮助他们尽快实现产业化。同时，这种变化也在石墨烯旗舰计划成员单位上体现的淋漓尽致：在第三阶段，大约有四分之一的合作伙伴是新面孔，而企业合作伙伴占比高达50%。

同时旗舰计划将在2020年围绕石墨烯核心中试线（Experimental Pilot Line）开展重点工作，4年内投入2000万欧元，旨在克服实验室与晶圆工厂之间的壁垒，实现高品质石墨烯材料、晶圆材料产业化，并使基于石墨烯的电子、光电子和传感器等产品达到的产业化制作水平。这标志着，欧洲高品质CVD石墨烯工业化时代即将来临。

接下来，CGIA Research将根据旗舰计划各大部门发展进度，为大家解读欧盟石墨烯旗舰计划2019年度亮点工作。

一、石墨烯旗舰计划管理及服务部门

作为石墨烯旗舰计划管理职能机构，该部门下设共组织均不承担科研相关工作，专职为旗舰计划提供管理等服务内容。

管理工作组：负责内部管理，制定重点方向，统筹欧洲科研力量等。2019年，该部门重点工作主要是筹备阶段三及核心中试线相关工作。与此同时，工作组新建立了7个尖端项目方向，使旗舰计划尖端项目数在第三阶段达到了11个，为此带来了30家全新的合作伙伴。

宣传工作组：负责旗舰计划宣传、推广工作。在2019年，工作组为旗舰计划提供1400多篇报道，涵盖在线读者人次接近20亿。同时，该组还通过各类社交媒体，针对年轻观众，做科学推广。

产业服务组：负责打通石墨烯走向工业化进程的路线，主要包括制作技术路线图、提供检测评价服务、制定国际标准、建立样品数据库等。2019年，该组开展了30次检测评价服务，同时石墨烯旗舰标准化委员会（GFSC）还致力于将欧洲定位为创新领导者，领导了28个国际标准化项目（ISO，IEC）中的9个。

创新工作组：负责管理、协调和支持石墨烯创新工作。2019年主要在各类对外展示平台中，但是石墨烯旗舰计划大使的角色，激发外界对石墨烯行业的关注及投入，吸引了81家非石墨烯相关企业的参与。

石墨烯创新产品：

夜视传感器：Emberion推出了一种新的线性阵列传感器，用于检测可见光和短波红外光谱中的光。得益于石墨烯，该传感器具有成本竞争力，可以定制成光谱仪之类的设备。

Neutron卷对卷设备：这是第一个能够在常规条件下将大面积石墨烯沉积到金属箔上的卷对卷系统， 它可以很容易地改进入生产线种，从而真正实现CVD石墨烯批量生产。

石墨烯增强耳机：MediaDevil的耳机采用Versarien Nanene®石墨烯涂层制成，使耳机的振动膜更薄，更柔软，从而提高了耳机高音和低音的质量。

散热橡胶：这种石墨烯增强橡胶提高了导热性，直接增加了橡胶部件的散热，使产品具有更长的保质期和更高的性能。

二、能源、复合材料及应用部门

1）应用工作组

该工作组主要使用石墨烯材料，改善航空航天、防火、防腐蚀等材料及产品性能，进一步提升传统材料性能。目前，该组主要承担4个关键任务，以应对不同的应用市场。分别是用于净化水的UV-C LEDs，用于铜线以提高导电性的涂料，用于车辆和建筑的新型保护复合材料，以及用于航空工业的新材料。值得注意的是，欧盟旗舰为空客A350飞机生产和验证新材料。

图1 石墨烯产品展示图（图片来源：Graphene Flagship Annual Report 2019）

UV-C LEDs：利用石墨烯的导电和光学特性，为UV-C LEDs创建了一个透明电极，提高了水处理和净化的效率。

i型电缆：铜线外涂石墨烯，以提高导电性和耐腐蚀性，延长其使用寿命，使其更薄、更轻。目前，通过特殊的工艺处理，石墨烯处理后的铜线电导率增加了约1%。

航空材料：石墨烯增强了飞机机身材料的抗冲击性，比如空客A350，其为空客A350制造的材料符合商用飞机的制造质量标准。此外，他们正在进行全面的鸟类冲击试验，以充分评估石墨烯加固结构在工作条件下的耐久性，经过测试和升级，这将大大有利于安全、燃料效率和减轻重量，从而减少对环境的影响。并且对工业相关尺寸的航空材料样本进行了100多次压缩后的冲击测试，与传统的层压材料相比，只需1.2%的石墨烯和层压材料就可以提高9%以上的抗冲击性。

防火：使用石墨烯和层状材料开发的涂料和结构可用于汽车工业和建筑施工。它们不仅能防火，而且还具有诊断火灾的传感能力，与现有材料相比，这是一个重大的健康和安全改进。在阻燃保护方面，将阻燃材料的生产能力提升到工业水平。目前，通过将石墨烯添加进防火涂料后，可使暴露于大火中的现代建筑钢材温度下降150℃。

2）复合材料组

该工作组使用石墨烯和层状材料开发高性能复合材料，满足航空航天、汽车和能源发电等工业部门的高标准要求。通过将石墨烯和层状材料纳入各种不同的基体组合，从而得到各种改性复材，包括热塑性塑料、热固性复合材料、弹性体和无机复合材料，并申请了6项复合产品的新专利。其在欧洲的许多会议和展览上展示了他们的研究成果，包括西班牙的MATCOMP 2019和德国的K Dusseldorf—最大的弹性体和热塑性塑料展览会，展示了达到8个技术成熟水平的功能化石墨烯母粒、以每小时1公斤的速度生产复合纤维的挤出系统，用于防冰的大块热塑性塑料、3D打印铜-石墨烯氧化物复合材料。

该工作组参与了石墨烯旗舰和欧洲航天局之间的合作，开发用于太空的石墨烯设备，并在意大利的石墨烯旗舰合作伙伴Leonardo公司测试了用于低功率卫星冷却的石墨烯基环形热管。同时，该组下的碳纤维环氧复合材料已经整合到航空航天供应链中。此外，其还与德国化工公司和石墨烯旗舰合作伙伴巴斯夫合作开发挠性热连接器的新路线。

该工作组还希望进一步开发基于石墨烯弹性体的商业原型和产品，这些弹性体具有更强的耐磨性，可用于轮胎、发动机密封和传动带。

3）功能泡沫和涂层组

该小组开发了用于环境修复的新型泡沫塑料和涂层，设计、研究和开发新一代基于石墨烯和层状材料的泡沫和涂层新技术，用于环境应用，如水和空气净化、防腐涂层以及用于环境修复的湿度和压力传感器。这种新型石墨烯泡沫和涂层可用于海水淡化、空气和水净化，可以满足发展中国家对清洁水的需求，并有助于减少污染的影响。

目前，该组成功开发了一种具有高电容去离子性能的石墨烯基电极，这是一种通过在两个电极上施加电位差来去除水中盐分的方法，这种新系统可以去除海水中60%以上的盐分。

此外，还研发了基于石墨烯材料的水和空气过滤新系统，并与德国汉莎技术公司(Lufthansa Technik)和德国医疗集团(Medica)合作，为石墨烯旗舰的下一阶段启动了两个面向行业的新项目。未来几年他们将石墨烯在水和空气净化方面开发的技术成果推向市场。

图 2 轻量级的aero-BN泡沫用于向各个方向散射定向激光束（图片来源:Florian Rasch）

4）储能工作组

储能工作组通过将石墨烯和层状材料集成到超级电容器和电池中来开发和改进储能技术，工作主要包括以下几个方面：使用石墨烯-硅阳极设计和制造锂离子电池，其性能优于现有的商业产品。通过喷涂大面积石墨烯溶液工艺，制造超级电容电极。开发新一代锂硫电池和金属空气电池技术。未来，其还将与合作伙伴VARTA公司合作，探索锂离子电池中石墨烯硅碳负极的工业化。这项技术在健康跟踪器、入耳式耳机、小型生物医学设备等领域具有巨大的商业应用潜力，他们还希望把这项技术推广到汽车行业。

5）能源工作组

石墨烯旗舰的能源工作组的目标是利用石墨烯等低维层状材料，制备新一代光伏板和氢燃料电池，通过设计新的材料和生产工艺来获得更好的性能值、更长的稳定性和更低的成本。目前该小组正与多家石墨烯旗舰合作伙伴公司紧密，合作包括意大利制造公司Breton、光伏制造商GreatCellSolar、石墨烯燃料电池和催化剂开发公司Amalyst。

现阶段该小组主要关注钙钛矿太阳能电池领域，他们通过使用层状材料，如二硫化钼，来提高太阳能电池的性能和长期稳定性。他们甚至启动了一个产业化项目，在希腊克里特岛成功建立一个太阳能发电厂，该太阳能发电厂将作为该组进一步突破的重点方向之一。

除了太阳能电池，该小组也在研究质子交换膜燃料电池(PEMFCs)，使用石墨烯和层状材料显著降低生产成本，并取代铂作为催化剂的需求。这些环保的燃料电池将化学能从氢和氧的反应转化为电能。同时，该小组使用石墨烯和层状材料作为质子交换膜燃料电池双极板的防腐涂层，使其可有更好的耐久性和更低的成本。

三、电子设备及光电子部门

1）规模化晶圆制备组

该小组的主要工作是寻找新的科学和技术解决方案，使石墨烯与现有的晶圆级制造工艺兼容，尤其是集成电路芯片的制造工艺。目前他们正在开发将石墨烯生长和转移到300毫米大小的大晶片上的方法，并在保持其质量、完整性和高载流子流动性的同时，开发集成石墨烯的技术。

19年，该小组发布了他们自主研发的第一个完全功能的光电子设备，以及一种用于光通信的高性能、可复制的光子芯片。

2）柔性电子组

在过去的几年里，该小组开发了许多新的传感器，用于健康监测的可穿戴自主设备原型，基于纸的交互式印刷电子产品，以及用于汽车工业的透明电极。

其与Emberion合作，生产了一种可穿戴x射线探测器，并与诺基亚合作，生产其自主研发的可穿戴传感设备。另外，他们在基于纸张的交互式设备和透明触摸面板方面也取得了很大进展。

在2019年移动世界大会上，该小组也展示了工业化产品原型：一个存储和播放信息的备忘录板，一个具有电容触摸功能和多段显示的棋盘游戏，以及一件带有印刷石墨烯基电容触摸面板的触摸感应t恤。

3）光电子组

该小组建立了一个可穿戴式健康监测的光电探测器平台，并开发了一个能够为医疗应用提供高质量成像的相干拉曼显微镜。此外，他们研制的基于石墨烯的调制器的数据速率每秒超过50GB，创下了世界领先的新记录。

4）电子设备组

该组重点开展石墨烯相关无线通信系统，用于数据处理和存储的逻辑电路以及柔性电子产品，以及用于无线通信的石墨烯射频设备。目前，该组已经开发出工作频率超过100 GHz的石墨烯射频设备电路，或将成为远程通信技术的关键。

四、健康、医疗及传感器部门

1）传感器工作组

19年，该小组开发了一种是用于家居安全检测的压力传感器，这种超灵敏传感器由超过10,000个石墨烯膜构成，悬浮在1 mm2硅芯片上。当发生微小的压力变化时，膜会偏转，产生电流，这使得能够检测打开或关闭门。因此，传感器可以用作入侵者警报或检测建筑物中人员的存在。此外，该小组还开发了一种用于空气污染的电子鼻——石墨烯空气嗅探器（GAS），它可以以非常快的响应时间检测空气中极低水平的有害气体，如二氧化氮或臭氧。

2）生物医药组

该小组与总部位于德国的石墨烯旗舰合作伙伴MultiChannel Systems合作，研发基于石墨烯的神经接口电极。此外，总部位于奥地利的石墨烯旗舰合作伙伴古格(Guger)还发明了一种基于场效应晶体管的传感器，可以用于监测生物系统电生理学信号记录。这两个合作伙伴的目标是在2020年向消费者提供这些产品。预计，用于临床前应用的石墨烯基设备将在未来三年内上市，他们的目标是在五年内获得批准用于人体使用的工作设备。

3）健康及环境组

该组主要工作为评估石墨烯及相关低维材料的安全性、生物兼容性等。该组研究了石墨烯和层状材料的可降解性，并设计了一种具有更高生物降解性的氧化石墨烯结合物，可刺激中性粒细胞分泌髓过氧化物酶，降解肺中不需要的分子、材料和微生物。

研究了小尺寸石墨烯可有效的干扰兴奋性突触，恢复过度兴奋（过度兴奋是癫痫和其他疾病的原因之一）。在未来，这种材料可以在脑相关疾病的治疗中发挥神经保护作用。

随着氧化石墨烯(GO)等石墨烯基材料的广泛应用开发，增加了其在水生环境中的潜在释放和发生，提出了其生物和生态风险的问题。由于基于单一物种的标准化检测未能突出生物间相互作用的毒理学途径，因此使用微/中小分子似乎是一种很好的解决方案，以弥补这些测试缺乏的环境真实感。在该小组工作中，实验采用微观世界系统，在与环境相关的浓度下将GO置于重构的食物链中。营养链由藻类和细菌为主要生产者，摇蚊幼虫为初级消费者和分解者，两栖胸膜虫幼虫为二级消费者。监测多种生态毒理学和生态学端点，可以观察细菌群落的变化，在手足类动物中未发现毒性作用。通过确定毒性路线和对生态系统功能的影响，深入地研究氧化石墨烯的生态毒性。

此外，欧盟石墨烯旗舰计划19年在《自然材料》、《自然物理》、《自然通讯》、《纳米快报》等国际知名期刊上发表了10多篇论文，进一步阐明了石墨烯及其层状材料的性质，为石墨烯旗舰研究的所有工作组的未来研究奠定了基础。

五家走在产业化前列的欧洲旗舰计划新生企业：

1、 Emberion：在石墨烯光子学和电子学应用领域取得突破，彻底改变了红外光电探测器和热传感器。开发了包括夜视，X射线检测以及高光谱和热成像等产品。该公司是旗舰计划合作伙伴诺基亚的衍生公司，在诺基亚旗下，经过长期基础研究之后，独立出来专攻光电技术应用。2020年，Emberion将首批成像器产品将交付。

2、 Graphenea：作为旗舰计划首批产业化合作伙伴，Graphenea提供CVD石墨烯薄膜，石墨烯场效晶体管芯片（GFET），石墨烯制备服务（GFAB）和氧化石墨烯解决方案等，并逐步在石墨烯制备市场中站稳了脚跟。2018年，Graphenea营收额达到了160万欧元，而2019年又增长了25％。

3、 BeDimensional：由意大利工研院IIT衍生而来，主要方向为涂料、能源、复合材料等。在IIT进行了两年的早期孵化后，2018年BeDimensional得到了佩兰集团的1800万欧元投资，并正式在工业化进程上迈出脚步。目前，其已经完成首条二维晶体材料生产线的建设，并完成了石墨烯基锂硅电池的原型开发。

4、 Grapheal：Grapheal是法国知名石墨烯新生企业，同时也是石墨烯联盟（CGIA）成员单位，其创新性的开发出一种石墨烯创口贴来远程监视慢性创口的情况。Grapheal利用灵活且透明的基于石墨烯的生物传感器，配合智能手机，可以连续监控伤口，并通过智能，准确的评估工具为医护人员和患者提供准确的医护信息支持。该创口贴可测量并存储伤口的生物参数，并将此数据通过智能手机应用程序传送到云端。这种数据的实时传递可以确保慢性伤口在感染初期及其他并发症爆发前得到提醒。

5、 Payper：利用石墨烯的独特性能来制造带有嵌入式NFC天线的特殊纸张，用该特殊纸张打印出来的账单，可以用手机贴近，完成接触读取商品信息，支付等。这是石墨烯产品在快捷支付领域的一次独特创新。